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最全燃料電池系列科普報告（制氫、儲運、燃料電池系統(tǒng)、混合動力）

2017-09-25 11:09:29 電池視界　點擊量：評論 (0)

燃料電池系列科普報告----制氫我國燃料電池基礎設施建設進入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準備。加氫基礎設施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運也是需要重點攻克的難題，適合燃料電池汽車的高

燃料電池系列科普報告——燃料電池系統(tǒng)

我國燃料電池基礎設施建設進入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準備。加氫基礎設施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運也是需要重點攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

此前的系列科普中，已經(jīng)介紹了氫氣的制取、儲運問題。在本文中，將會為大家介紹燃料電池系統(tǒng)的問題，包括其組成、發(fā)展狀況以及目前主流的燃料電池系統(tǒng)的簡介。

思考的問題：

1.燃料電池系統(tǒng)是由哪些部分組成的？關鍵部件與技術是什么？

2.目前國內主流的燃料電池系統(tǒng)供應商情況如何？

重要結論

燃料電池系統(tǒng)的關鍵部件包括電堆、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、加濕器以及空氣壓縮機，關鍵技術包括水熱管理技術、低溫冷起動、系統(tǒng)的控制技術等。目前在國際上，包括日本、美國、德國，燃料電池的技術已經(jīng)成熟，下一個階段，燃料電池的技術主要是集中在降低成本產(chǎn)業(yè)化的階段。國內企業(yè)主要依賴國外公司的現(xiàn)有技術并進行深入研究，主要公司有大連新源動力和大洋電機兩家公司。

1、燃料電池系統(tǒng)簡介

燃料電池系統(tǒng)是燃料電池汽車最基本的、最核心的部分。燃料電池汽車與動力電池汽車最大的不同是利用了氫氧反應生電。燃料電池系統(tǒng)是主要由電堆、燃料處理器、功率調節(jié)器、空氣壓縮機組成。每一個系統(tǒng)組成部件都有其特有的關鍵技術，其中電堆技術最為關鍵。

燃料電池堆。為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓的需求，通常將燃料電池（FC）單體按照一定的方式組合在一起構成燃料電池堆，并配置相應的輔助設備（BOP，BalanceOfPlant），同時在燃料電池控制單元的控制下，實現(xiàn)燃料電池的正常運行，共同構成了燃料電池系統(tǒng)。用作車輛動力源的燃料電池系統(tǒng)，稱為燃料電池發(fā)動機。

燃料電池堆是燃料電池發(fā)動機的核心，BOP維持電堆持續(xù)穩(wěn)定安全地運行。燃料電池發(fā)動機輔助系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機、燃料電池用加濕器、氫氣循環(huán)泵、壓力調節(jié)器和系統(tǒng)控制單元。以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機的典型結構如圖所示。

燃料電池堆是燃料電池系統(tǒng)的主要元件，包括電極、質子交換膜（PEM）、雙極板、氣體擴散層（GDL）、端板等部件。其中，電極、PEM和GDL集成在一起成為膜電極（MEA），它是堆的主要部件。電極是PEM和GDL之間具有電傳導性的一層加壓薄層，也是電化學反應發(fā)生的地方。

PEM是陰極催化層和陽極催化層之間的一層薄膜，是氫質子傳導的介質，PEM的性能直接影響整個電堆的性能。雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。所有的單電池通過雙極板串聯(lián)在一起，提供滿足車用動力需求的電功率。

燃料電池系統(tǒng)控制技術。燃料電池的耐久性是燃料電池汽車問題的關鍵所在，而耐久性，很大一部分在于控制系統(tǒng)的問題。經(jīng)過大量的研究表明，影響燃料電池壽命的關鍵因素有：動態(tài)工況、起動、連續(xù)怠速等，這些因素都是通過由系統(tǒng)控制所最終決定的。因此，燃料電池系統(tǒng)控制技術成為燃料電池最為關鍵的技術之一。

圖中燃料電池控制單元包括空壓機控制模塊、燃料電池系統(tǒng)控制模塊以及電池電壓監(jiān)控模塊。其中空壓機控制箱接收燃料電池控制模塊發(fā)送的控制信號，同時把反饋信號（如空壓機的轉速等）發(fā)給燃料電池系統(tǒng)控制模塊。燃料電池系統(tǒng)控制模塊主要根據(jù)接受的各種信號，來確定合適的控制參數(shù)，并通過CAN總線與車輛管理系統(tǒng)通訊。電池電壓監(jiān)控模塊用于監(jiān)控單池電壓，當電壓過低時向燃料電池控制模塊發(fā)送警告信號。通過輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的綜合作用實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)高效運行，實現(xiàn)能量的最有利用。

2、國內燃料電池堆：金屬極板與單堆高功率

與電機電控相同的地方是，目前國際上主流的燃料電池系統(tǒng)也是分為整車廠自主研發(fā)及配套采購兩種模式。乘用車方面，已經(jīng)量產(chǎn)的燃料電池汽車豐田Mirai和本田Clarity都搭載自主研制的燃料電池系統(tǒng)，其他主流車企也在加快研發(fā)進程；商用車方面，主要采用配套采購方式，巴拉德是國際燃料電池系統(tǒng)龍頭，同時也為國內的燃料電池公共汽車提供動力系統(tǒng)。

大連新源動力（南都電源參股）：

新源動力作為國內燃料電池技術研究程度最深的公司之一，在燃料電池系統(tǒng)的小型化、集成化等方面深入耕耘，與多家國內主流車企形成了穩(wěn)定的供應關系。待加氫基礎設施建設相對完善、規(guī)模化效應提升使成本逐漸降低后，國內燃料電池汽車極可能出現(xiàn)類似日本今年一季度的爆發(fā)行情。

公司認為燃料電池系統(tǒng)的核心競爭力來源于設計，不論是極板材料的選擇、流道的設計，還是層級結構的搭建、算法的建立等。目前公司的燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品覆蓋固定式、分布式、通信備用電源等各個領域，功率從5KW-120KW，產(chǎn)品類型齊全。

大洋電機：

大洋電機的燃料電池技術來源于加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司，巴拉德動力系統(tǒng)公司成立于1979年，從1983年開始研發(fā)燃料電池，其核心技術在于質子交換膜。1997年公司與戴姆斯-克萊斯勒組建合資企業(yè)，共同開發(fā)燃料電池汽車市場。2007年至2009年，開始轉型發(fā)展清潔能源燃料電池產(chǎn)品，并廣泛應用于智慧能源解決方案。目前公司的主要產(chǎn)品有：

1）質子交換膜燃料電池堆的原始設備和系統(tǒng)集成；

2）動力模塊，為叉車、公共汽車和輕軌提供靈活的解決方案；

3）固定系統(tǒng)，提供一個全面的氫燃料組合電力系統(tǒng)，來支持一系列應用程序。

巴拉德在燃料電池領域具有明顯的競爭優(yōu)勢，過去的30年中巴拉德的技術工程投資超過10億美元，生產(chǎn)了超過200兆瓦的燃料電池堆、240萬個膜電極組件和3000個固定式燃料電池系統(tǒng)。現(xiàn)在，搭載巴拉德燃料電池系統(tǒng)的公交車行駛里程超過百萬千米，并且為包括豐田、大眾、奧迪等在內的全球前八大車企提供了超過500個燃料電池產(chǎn)品和超過1000小時的咨詢服務。